（电气工程专业论文）基于动态负荷的汽轮发电机转子匝间短路故障识别研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 同步发电机转子匝间短路是一种常见的电气故障，它将导致转子振动，甚至发 展为转子接地、转子绕组烧损、发电机失磁、发电机部件磁化等，危及电机和系统 的安全，因此分析转子匝间短路故障的机理和在线诊断方法具有重要的现实意义。 本文针对电厂的现场实际情况，开发研制了发电机转子匝间短路诊断系统，首先通 过o v a t i o no p cs e r v e r 接口，采集得到发电机励磁电流、有功、无功、相电压、 线电流、功率因数、频率等参数，然后传输至服务器数据库，基于所建立的发电机 模型及采集的数据编制了转子匝间短路诊断软件，局域网络中的客户机都可通过访 问服务器观察当前发电机运行状况。经过近半年的现场运行表明本系统性能稳定、 使用方便。 关键词：汽轮发电机，转子匝间短路，故障诊断，数据采集，数据库 a b s t r a c t t h ei n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i to fr o t o rw i n d i n gi so n eo ft h ec o m m o nf a u l t s w h e ni t h a p p e n s , i tw i l ll e a dt o r o t o rv i b r a t i o n , a n de v e nc a u s er o t o re a r t h e n , r o t o rw i n d i n g b u r n e d - o u t , g e n e r a t o rl o s so fe x c i t a t i o n , g e n e r a t o rc o m p o n e n t sm a g n e t i z a t i o na n ds oo n , t h a t w i l le n d a n g e rt h es a f eo fg e n e r a t o ra n ds y s t e m s oi ti si m p o r t a n tt oa n a l y z et h em e c h a n i s m a n dd i a g n o s i sm e t h o do fi n t e r - t u ms h o r tc i r c u i tf a u l to fr o t o rw i n d i n g a i m sa tt h ep r a c t i c a l s i t u a t i o no fe l e c t r i cp o w e rp l a n t , w eh a v ed e v e l o p e dt h er o t o ri n t e r - r u ms h o a - c i r c u i t d i a g n o s i ss y s t e m f i r s t , u s eo v a t i o no p cs e v e rd i g i tc o m m u n i c a t i o np o r tt oc o l l e c tt h e e x c i t i n gc u r r e n t , a c t i v ep o w e r , i n a c t i v ep o w e r , p h a s ev o l t a g e ，l i n ec u r r e n t ，p o w e rf a c t o ra n d f r e q u e n c ye t cp a r a m e t e r so ft h eg e n e r a t o r t h e nt r a n s f e rt h e mt ot h ed a t a b a s eo ft h es e r v e r b a s e do nt h es e tu pm o d e lo ft h eg e n e r a t o ra n dt h ec o l l e c t e dd a t a , w ec o m p i l et h ed i a g n o s i s s o t h a r eo fr o t o ri n t e r - t u r ns h o r t - c i r c u i t t h ee n t i r ec l i e n tc o m p u t e r si nt h el o c a la r e an e t w o r k c a no b s e r v et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no fc u r r e n tt i m eo ft h eg e n e r a t o rb ya c c e s s i n gt h es e r v e r a b o u th a l fy e a r so p e r a t i n ga tf i e l di n d i c a t e st h a t ，t h i ss y s t e m sp e r f o r m a n c ei ss t a b l e ，a n di t c a i lb eu s e dc o n v e n i e n t l y l iy u e ( p o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n g g a n g k e yw o r d s ：t u r b i n eg e n e r a t o r ，r o t o ri m e v t u ms h o r tc i r c u i t ，f a u l td i a g n o s e s ，d a t a a c q u i s i t i o n ，a n dd a t a b a s e 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 同步发电机转子匝间短路是一种常见的电气故障，它将导致转子振动，甚至发 展为转子接地、转子绕组烧损、发电机失磁、发电机部件磁化等，危及电机和系统 的安全，因此分析转子匝间短路故障的机理和在线诊断方法具有重要的现实意义。 本文针对电厂的现场实际情况，开发研制了发电机转子匝间短路诊断系统，首先通 过o v a t i o no p cs e r v e r 接口，采集得到发电机励磁电流、有功、无功、相电压、 线电流、功率因数、频率等参数，然后传输至服务器数据库，基于所建立的发电机 模型及采集的数据编制了转子匝间短路诊断软件，局域网络中的客户机都可通过访 问服务器观察当前发电机运行状况。经过近半年的现场运行表明本系统性能稳定、 使用方便。 关键词：汽轮发电机，转子匝问短路，故障诊断，数据采集，数据库 a b s t r a c t t h ei n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i to fr o t o rw i n d i n gi so n eo ft h ec o m m o nf a u l t s w h e ni t h a p p e n s , i tw i l ll e a dt o r o t o rv i b r a t i o n , a n de v e nc a u s er o t o re a r t h e n , r o t o rw i n d i n g b u r n e d - o u t , g e n e r a t o rl o s so fe x c i t a t i o n , g e n e r a t o rc o m p o n e n t sm a g n e t i z a t i o na n ds oo n , t h a t w i l le n d a n g e rt h es a f eo fg e n e r a t o ra n ds y s t e m s oi ti si m p o r t a n tt oa n a l y z et h em e c h a n i s m a n dd i a g n o s i sm e t h o do fi n t e r - r u ms h o r tc i r c u i tf a u l to fr o t o rw i n d i n g a i m sa tt h ep r a c t i c a l s i t u a t i o no fe l e c t r i cp o w e rp l a n t , w eh a v ed e v e l o p e dt h er o t o ri n t e r - t u r ns h o r t - c i r c m t d i a g n o s i ss y s t e m f i r s t , u s eo v a t i o no p t ：s e v e rd i g i tc o m m u n i c a t i o np o r tt oc o l l e c tt h e e x c i t i n gc u r r e n t , a c t i v ep o w e r , i n a c t i v ep o w e r , p h a s ev o l t a g e ，l i n ec u r r e n t ，p o w e rf a c t o ra n d f r e q u e n c ye t cp a r a m e t e r so ft h eg e n e r a t o r t h e nt r a n s f e rt h e mt ot h ed a t a b a s eo ft h es e r v e r b a s e do nt h es e tu pm o d e lo ft h eg e n e r a t o ra n dt h ec o l l e c t e dd a t a , w ec o m p i l et h ed i a g n o s i s s o f t w a r eo fr o t o ri n t e r - t u r ns h o r t - c i r c u i t t h ee n t i r ec l i e n tc o m p u t e r si nt h el o c a la r e an e t w o r k c a no b s e r v et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no fc u r r e n tt i m eo ft h eg e n e r a t o rb ya c c e s s i n gt h es e r v e r a b o u th a l fy e a r so p e r a t i n ga tf i e l di n d i c a t e st h a t ，t h i ss y s t e m sp e r f o r m a n c ei ss t a b l e ，a n di t c a l lb eu s e dc o n v e n i e n t l y l iy u e ( p o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n g g a n g k e yw o r d s ：t u r b i n eg e n e r a t o r ，r o t o ri m e r t u r ns h o r tc i r c u i t ，f a u l td i a g n o s e s ，d a t a a c q u i s i t i o n ，a n dd a t a b a s e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 基于动态负荷的汽轮发电机 转子匝间短路故障识别研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导 师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标 注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签日期：! 呈：三：翌 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期：丝量：兰：星等 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章 引言 随着国民经济的持续发展，我国电力工业正处于大电网与大机组的发展阶段。 至2 0 0 0 年末，即我国第九个国民经济发展计划，全国总装机容量已达3 1 9 3 2 亿千 瓦，其中，火电2 3 7 5 4 亿千瓦，水电0 7 9 3 5 亿千瓦。作为电力系统的电源一发电机， 随着单机容量的不断增大，运行可靠性显得尤为重要和突出，一旦这样的机组发生 故障特别是恶性故障，就会给电力系统和国民经济带来巨大的经济损失。因此研制 发电机在线监测与诊断系统显得十分必要。其一，可检测出在初始阶段出现的缺陷， 以便有计划安排检修，从而减少强迫停机次数，避免发生事故：其二，可延长发电 机平均无故障时间及缩短平均修理时间，从而降低发电机的维护费用和提高发电机 的可用性。 大型汽轮发电机故障诊断技术研究是以计算机技术、信息传感技术和人工智能 技术为基础，主要利用发电机传感器的输入数据，来评估发电机的工作状态。故障 诊断系统的主要环节如图1 1 所示。 状态监测 图1 1 故障诊断系统的主要环节 故障诊断 在大型汽轮发电机的各个组成部分中，转子由于处于高速旋转状态，承受着很 大的机械应力和热负荷，所以对于转子部分的故障检测就显得尤为重要。由于制造 过程中的加工工艺的不良和运行中各类机电作用的影响，大型汽轮发电机的转子绕 组经常会出现匝与匝之间的接触，即导致转子绕组匝间短路故障的发生。在现场运 行中的转予绕组匝间短路故障是发电机各类故障中比较常见的一种，也是影响安全 运行的重要原因之一。资料【l 】【2 】【3 】【4 】表明：在已运行的大型汽轮发电机组中，发 生转子绕组匝间短路故障占故障总数的比重较大，危害程度为“严重 ，故障发生 的频率为1 1 4 6 ，大型发电厂中的大多数汽轮发电机都发生过或者存在着转子线圈 匝间短路故障的问题。山东省自1 9 9 3 年1 月1 9 9 8 年6 月发生了6 起转子绕组匝 华北电力大学工程硕士学位论文 间短路故障，轻微的匝间短路对发电机运行的不良影响较小，常常会导致发电机的 励磁电流升高、无功功率相对下降、轴承不平衡振动增加。一旦转子匝间短路的严 重程度增加，将会导致转子一点甚至两点接地故障的发生，使得转子大轴磁化，严 重者还将烧伤轴颈和轴瓦，对机组本身的安全稳定运行构成巨大威胁。沙岭子 i # 3 0 0 m w 发电机1 9 9 3 年4 月发生转子匝间短路接地，烧伤护环，将转子磁化，2 撑 发电机于1 9 9 5 年1 月也因匝间短路烧伤护环。鉴于上述原因，近年来，国内外对 转子绕组匝间短路故障的诊断研究非常重视。 1 2 汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的原因 造成发电机转子绕组匝间短路故障的原因很多，按照制造和运行方面分析有如 下原因： 1 2 1 制造检修方面 ( 1 ) 转予端部绕组固定不牢，垫块松动。发电机运行中由于铜铁温差引起的 绕组相对位移，设计上未采取相应的有效措施。 ( 2 ) 绕组铜导线加工成形后不严格的倒角与毛刺；端部拐角整形不好和局部 遗留摺皱或凸凹不平；匝间绝缘垫片垫偏、漏垫或堵孔( 直接冷却的绕组通风孔) ： 绕组导线的焊接头和相邻两套线圈间的连接焊口整形不良；制造工艺粗糙留下的工 艺性损伤；转子护环内存在加工后的金属切屑等异物。 1 2 2 运行方面 ( 1 ) 运行中高速旋转的转子绕组承受着离心力等多种使其移位变形的动态应 力。 ( 2 ) 冷态起动机组，转子电流突增，由于铜铁温差使绕组铜线蠕变留下的残 余塑性变形和积累，导致匝间绝缘和对地绝缘的损伤。 ( 3 ) 多种原因导致的内冷转子绕组堵塞，造成局部严重过热，使匝间绝缘烧 损。 由于上述设计制造方面的缺陷或运行检修工艺不当等原因，很容易使转子绕组 发生匝问短路故障并日趋严重。像转子绕组接地故障的分类一样，不随转子的转动 状态和运行工况而变化者，称稳定性匝间短路；随转子的转动状态或运行工况的改 变而变化者，称为不稳定或称为动态匝间短路。 1 3 发电机转子匝间短路主要研究方法 美、英、俄、德、加等国家对发电机转子绕组匝间短路故障都在进行广泛而深 2 华北电力大学工程硕士学位论文 入的研究，我国如清华大学、华中科技大学及东南大学等高校在这方面也做了大量 的研究工作，提出了一些分析方法，取得了一些具有一定理论意义和实用价值的研 究成果。综观4 0 多年来国内外对此问题的研究情况，按照研究方法大致可分为： 1 3 1 微分线圈动测法嘲 这种方法最早是由美国的a l b r i g h t 在1 9 7 1 年提出来的。它是将探测线圈装在 定子铁芯的空气隙表面，这样既可以测量磁通的径向分量，也可以测量磁通的切向 分量。其基本原理是把发电机气隙中的旋转磁场进行微分，然后将此微分信号引入 示波器进行分析。由于不同的信号微分后的波形不一样，特别是正常和故障情况有 很大的差别，所以对微分波形进行分析即可诊断出转子绕组是否存在匝间短路故 障，并准确显示出故障槽的位置。 微分线圈动测法不受外部条件及匝间短路故障点在槽中位置的影响，可信度较 高。然而气隙线圈探测法只能在发电机空载和三相短路的情况下进行，在发电机带 负载条件下，由于电枢反应，探测效果并不明显，且检测准确度也较差。这种方法 要求转子处于旋转状态下测量，所以在转子安装前和半成品时不能采用，而且从已 调研的资料发现，国内绝大多数电厂现有及新设计的电机中，极少装有这种测量线 圈，并且安装这种线圈需要的停机时间也很长。 1 3 2 回复波检测法h 1 英国的j w w o o d 等学者提出给转子加阶跃脉冲测量其反射的回复波检测法。 这种方法也称作传输波分析法，是以行波理论为基础的。在转子绕组的两端同时施 加矩形脉冲，脉冲通过绕组后因电路元件变化( 如阻抗不匹配、绕组不对称) 而反 射，通过测量并放大反射脉冲之间的差异，即可产生特征信号。利用记录下来的特 征信号和模糊神经网络，不但可以检查出故障，而且还能准确地确定故障的位置。 回复波检测法的检测装置十分轻便，而且试验所需的时间很短。但是这种方法 的最大缺点是必须配置一个神经网络，而且脉冲必须能够很容易进入转子绕组，以 检测相邻绕组间的短路点。然后，收集有短路匝情况下的特征信号，向网络培训提 供已知输入。在转子处于正常运行时，由于容易损害电机并且拆卸费用较高，转子 绕组并不能很方便地进行短路试验，从而无法获得有效的配置数据【5 】。因此，回复 波检测法虽然在理论上可行，但是实现起来还有一定的困难，而且所需测量条件比 较繁琐，所以在现场实际运行检测中并不容易实现。 1 3 3 开口变压器法 单开口变压器法的测试原理是将转子置于定子膛外，由滑环通入交流电到绕组 中，在转子槽齿上便产生交变磁通。当线圈中存在或不存在匝间短路两种情况下， 华北电力大学工程硕士学位论文 在开口变压器线圈上所感应的电势的大小和电源电压之间的夹角是不同的。双开口 变压器法是利用电磁感应原理，将两个开口变压器置于转子本体同一线圈的对应槽 齿上。故障时，由短路匝产生的磁通对测量变压器起助磁作用，因此测量变压器的 感应电势比槽内无匝间短路时成倍增长。 单开口变压器法和双开口变压器法的缺点是均不能应用于转动状态下检测，需 要在停机抽出转子后才可以进行。 1 3 4 交流阻抗和功率损耗法m 正常情况下，当转子旋转时，槽内线匝在离心力的作用下压向槽楔，既减少了 线匝在槽内的有效高度，又使槽楔与转子槽齿接触紧密，增强了阻尼效应，使得阻 抗值随转速升高而有规律下降。发生匝间短路故障时，对同一台机组相同状态下， 阻抗值会发生突变，而功率损耗则相对升高。 对于现场广泛采用的交流阻抗法，虽然具有简便、实用和较为灵敏的优点，也 可以在静态和动态下测量，但是交流阻抗法的测试结果受外部条件影响因素较多， 检测方法有很大的局限性：除了受到转子槽楔的材料及槽楔与槽壁接触的紧密程度 的影响之外，还受到转动状态下的定子附加损耗、转子本体剩磁、试验时施加电压 的高低、试验电源频率、波形含谐波分量多少等多种因素的影响，对判定较轻微的 匝间短路故障有时不能获得较准确结论，故不能作为判断匝间短路的主要依据。 1 3 5 直流电阻法 直流条件下，转子绕组电阻故障状态的测量值比正常状态的测量值明显偏低。 直流电阻法的缺点是灵敏度较低，只有在短路匝数较多时，直流电阻值才呈现 明显的变化。 1 3 6 空载及短路特性试验法 利用发电机空载和短路特性试验在正常或故障状态下所测参数值与特征曲线 的不同来判断是否发生转子绕组匝间短路故障。 空载与短路特性法对匝间短路故障的反映也不够灵敏，与直流电阻法相似，只 有在短路匝数较多时，特性曲线才有明显变化。 上述介绍的这些检测方法属于比较传统的检测方法，它们中的大多数都已经在 现场中应用了多年，并且积累了很多经验。但是由于大部分都不是在线检测或者受 到其他因素的干扰比较大，所以实际测试中得到的结果并不十分理想，而且检测的 灵敏度也不高。即使检测出故障以后，也无法一次性实现对故障槽的准确定位。 1 3 7 基于励磁电流的诊断方法暗们 4 华北电力大学工程硕士学位论文 由文献【6 】知 广j 一 ( 0 ) 2 u 2 + 1 2 x d 2 + 詈缆 ( 1 1 ) 上式表示了在发电机并网运行条件下，电压、有功已知时，无功与励磁电流之 间的关系。在铁心不饱和的条件，电机电动势与励磁电流成线性关系，再已知电压、 电流、无功的情况下，励磁电流容易确定；在铁心饱和的条件，电机电动势与励磁 电流成非线性关系，借助磁化曲线，在计算得到电压后，找到对应的励磁电流，从 而得到正常条件下某一瞬间励磁电流的计算标准值，将它与励磁电流的实际值比 较，可以判断发电机是否发生了转子绕组匝间短路，判据为： ；： 丝丛口( 卜2 ) i ，o 式中，是励磁电流的实际测量值，0 0 是励磁电流的计算标准值，口是把计 算误差和测量误差考虑在内的偏差相对值，一般取0 4 一0 5 另外文【7 】通过分析转子匝间短路时定子并联支路之间的电势差和环流特征，提 出了基于定子绕组并联支路环流的监测诊断方法。 1 4 本文主要工作 本文针对娘子关发电厂3 撑发电机的现场实际情况，开发研制了3 撑发电机转子 匝间短路诊断系统，主要涉及以下几个方面： ( 1 )首先通过o v a t i o no p cs e r v e r 数字通讯口，采集得到发电机励磁电流、有功、 无功、相电压、线电流、功率因数、频率等参数。 ( 2 )在现有的r d s t ( 汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断软件) 的基础上进一 步发展、完善，建立基于w e b 的运行方式，在不增加任何新的设备条件下，利用原 有的发电机电气监测数据，实现对匝间短路的网络检测功能。 ( 3 )在考虑磁场饱和条件下，建立转子匝间短路故障诊断数学模型，分析转子绕 组匝间短路故障时的基本电气特性，寻找转子侧励磁电流和发电机无功功率损失之 间的关系以及故障严重程度和励磁电流变化之间的关系，建立借助于转子侧故障前 后励磁电流相对变化率识别匝间短路故障的一种有效方法。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章数据采集系统的设计与实现 为了实现发电机在线数据的采集，利用o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ( o p c ) 接口从 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) 中取出数据并传入诊断系统所带的s q l 数据库中。 本文就是基于此接口，利用c o m 技术建立数据采集系统。 2 1 数据采集的设计原则 随着国民经济的发展，企业如何降低成本，创造出最佳的经济效益是现代企业 管理的客观要求，也是企业在竞争取胜的关键。为了提高电厂的经济效益和社会效 益，很多电厂都在建立完善的d c s 系统( 集散型控制系统) ，其中与生产相关且最 重要的是建立开放、完全的现场数据采集、组态和传送的实时监控系统，以充分获 得生产现场的数据信息，并将这些数据信息传送至d c s 系统的数据库中。从而使企 业管理决策科学化，达到生产、经营、管理的最优化状态。本系统数据采集设计的 原则是： 1 ) 对于已有控制系统不需重复建立监测站点，只须将其中关于发电机运行状态的 部分重要实时信息取出并加以组态，传送到d c s 系统，然后送入诊断系统； 2 ) 本系统的数据采集对原有的监测及控制系统不产生任何影响。 3 ) 节约资金，易于扩展。 2 1 1发电机数据采集系统的状况 发电厂采用美国西屋公司d c s 集散型控制系统，它是集计算机技术、通讯技术、 数据采集和显示技术于一体的工业计算机测控系统，在结构上采用独立运行的工作 站( 如工程师站、操作员站等) 进行现场数据采集。 本系统使用v b n e t ( v i s u a lb a s i c n e t ) 开发集成软件，实现现场数据采集功 能模块的开发。 在充分考虑软件的功能实现、用户需求、人机交互、友好界面、权限划分及软 件的安全、稳定运行等因素后，设计、编制了r d s t 软件。 2 1 2 发电厂d o s 系统概述 随着工厂生产自动化水平的不断提高，集散型控制系统( d c s ) 的应用相当普 及，充分利用d c s 资源对生产进行实时监控和管理越来越受到嘉峪关宏晟发电厂的 关注。发电厂d c s 集散型控制系统是引进美国西屋公司o v a t i o n 集散控制系统，其 特点：o v a t i o n 控制局网采用高速度、高可靠性、高度开放的f d d i 通讯网络，是集 6 华北电力大学工程硕士学位论文 散过程控制及企业管理技术融为一体的局域网络。因此本文提出一种以d c s 为服务 器，采用o p cs e r v e r 的接口方式，并利用p c 为客户机的b s 应用模式，使得客 户机充分利用服务器提供的各项服务功能，实现生产过程的实时监控、分析和优化， 从而使生产信息系统从单元化走向多元化，实现分布式生产管理 2 2 o p c 技术简介 o p c 是由过程控制和生产自动化领域中处于领先地位的软硬件提供商与 m i c r o s o f t 公司共同合作研制开发的工业自动化控制领域的一项过程控制软件的互 操作性数据传输规范，该技术是基于m i c r o s o f t 的o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g ) c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) ，采用客户服务器模式，定义了c o m 对象和接口规范，o p c 服务器作为一个 对象进行封装，并提供标准接口。o p c 建立了一组符合工业控制要求的接口规范， 主要包括：o p c 数据访问规范，o p c 报警与事件规范，o p c 历史数据存取规范，o p c 安全 规范，o p c 批处理规范，o p c 服务器数据处理规范和o p cx m l 规范。其中应用最多的 是数据访问规范。不同的规范定义了不同的接口集合，以及这些接口需要实现的功 。能。只要硬件开发商提供了实现o p c 接口的服务器，任何支持o p c 接口的客户程序 均可采用统一的方式对不同硬件厂商的设备数据进行存储。 o p c 是连接数据源( o p c 服务器) 和数据的使用者( 0 p c 应用程序) 之间的接口标 准。数据源可以是p l c ，d c s ，条形码读取器等控制设备。服务器既可以是本地服务 器，也可以是远程服务器。o p c 是具有高度柔软性的接口标准，既可以适用于把最 底层的控制设备的获取的数据提供给h m i s c a d a ，批处理等自动化程序，也可以适 用于进行应用程序和物理设备的直接连接。目前，o p c 技术主要应用于以下几大工 业控制：在线数据监测，报警和事件处理，历史数据访问，远程数据访问。 o p c 服务器包括两种接口：定制接口和自动化接口。定制接口是服务器必须提 供的，而自动化接口是可选的。区别在于，定制接口只支持由c c 十+ 编写的客户， 而自动化接口支持更上层的应用，如用v b ，v b a 等编写的应用程序。 o p c 传送o v a t i o n 可定义的过程控制数据值，使o v a t i o n 网络与客户端软件包 ( 如e x p l o r e r 、i f i x 、i n t o u c h 、c i t e c t 等) 两者之间实现可连接性，最终电厂人员 可从o v a t i o n 实时网络或电厂m i s 网络的客户计算机上读取实时过程控制数据值。 o p c 客户只需遵循特定的规范和方法即可访问o p c 服务器并读取其中的数据。o p c 的基本思想是：每个硬件生产厂家为其设备开发一个通用的数据接口供其它系统读 取数据。应用软件也通过o p c 接口来读写信息。这样可以克服异构网络结构和网络 协议的差异，从而实现数据的灵活配置和多种系统的真正集成。如图2 1 ，现场设 备把一些测量量传给d c s ，f c s 或p l c 控制系统，它们通过特定的设备驱动程序， 7 华北电力大学工程硕士学位论文 将数据传给o p c 数据服务器。客户端通过o p c 接口实现与o p c 服务器之间的数据 传输。 图2 1o p c 客尸端控制结构图 o p c 数据访问服务器中包含三种对象，分别为服务器( s e r v e r ) 对象，组( g r o u p ) 对象和项( i t e m ) 对象。o p c 服务器为每个与之连接的客户端实例化一个s e r v e r 对象，一个o p c 服务器可以包含多个g r o u p 对象，每个g r o u p 对象又可以包含多个 i t e m 对象。 s e r v e r 对象主要负责创建和管理g r o u p 对象，管理s e r v e r 对象内部状态信息， 将服务器的错误代码翻译成描述性的语句，浏览服务器内部的数据组织结构等。 g r o u p 对象主要负责管理g r o u p 对象的内部状态信息，创建和管理i t e m 对象，完成 o p c 服务器内部的实时数据存取服务( 同步或异步方式) 。在o p c 中，数据传输是以 组为单位进行的。同一个组对象中的i t e m 对象的数据源可以位于不同的现场设备 中。这样就方便客户把经常需要访问的一些i t e m 放在一个g r o u p 中进行管理。客 户可以对组进行读写，还可以设置客户端的数据更新频率。s e r v e r 对象和g r o u p 对象都是标准的c o m 对象。这两种对象需要完成与客户程序的交互，但没有与特定 的现场设备产生联系，因此都只是一个逻辑概念。 i t e m 对象则代表了与特定数据源的连接，通常只向设备一个寄存器单元。例如 一个c h a r n e l 或者一个p o r t 。i t e m 对象是服务器端定义的对象，客户并不与其直 接交互。 2 3o p c 数据访问服务器的程序结构 o p c 数据访问服务器的程序结构可以分为：o p c 对象和接口，数据存储区，界 面和硬件驱动。由此可知，开发一个o p c 数据访问服务器需要完成的工作如下： ( 1 ) o p c 对象的设计和实现 可以通过继承i u n k o w n 类派生出o p c s e r v e r ，o p c g r o u p 和o p c i t e m 三个类，需 要重载i u n k o w n 类中的接口查询和引入计数函数。此外，这三个类还需要分别继承 8 华北电力大学工程硕士学位论文 o p cd a 规范中的不同接口派生出的新的接口类，实现这些接口中的成员函数。 ( 2 ) 数据存储区 在服务器数据存储区中存放着数据项，数据项包括值，品质，时间戳三个基本 属性以及其它与访问数据相关的属性。服务器既要对底层硬件进行读写操作，又要 通过o p c 接口与客户程序进行交互，所以对数据存储取得操作要采用多线程，以保 证数据存取的效率。这就涉及到c o m 线程的选择，根据选择的线程的不同，可能还 需考虑线程的同步控制问题。 ( 3 ) 界面设计 可以把服务器设计为类似w i n d o w s 中资源管理器的形式，把设备、组和数据项 用树型结构表示；针对设备，组及数据项的设置和添加分别设计不同的对话框来实 现。服务器程序退出的时候，需要将数据项的属性及其他设置作为配置文件保存起 来，下次程序运行时自动调用配置文件完成初始设置。 ( 4 ) 硬件驱动 可以直接调用硬件厂商提供的i 0d l l ，也可以自行开发。 2 4 数据采集系统的v is u aib a sic 实现 本文根据发电厂d c s 分散控制系统的实际情况建立了基于o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术，同时辅以开放数据库互联( o d b c ) 动态数据交换( d d e ) 结构化查询语言( s o l ) 异构数据库互联技术，构建了以o p c 为基础的电机故障监 测系统，将目前电机运行的各类数据集成到统一的公共数据库平台，实现了数据共 享和无缝连接。系统框架如图2 2 所示。 r 、 电机运转信息数据中转 、， 现场检测系统数据自服系统 现场数据库 0 p c 辩r v 盯o p cc l i e n ts q ls a n 瓴 土跏叭删上s 删螂f o n n e c t i o n r d s t 系统 图2 2 诊断系统框架图 在实现o p c 客户端之前需要在v b 环境里安装o p c d l l 文件。从v b 菜单里选择 工程卜 引用 ，在 可用的引用 的一览表中选择 o p ca u t o m a t i o n2 o ，设置了 对o p c 包装d l l 的引用，就可以使用o p c 自动化对象了。具体应用程序流程图如图 2 3 。 9 图2 3 应用程序调用流程 ( 1 ) 初始化。o p c 客户端的初始化主要完成v b 中常用变量的声明。 o p t i o nb a s e1 o p t i o ne x p l i c i t d i mw i t h e v e n t ss 懿 v e r o b ja so p c s e r v e r o p cs e r v e r 对象，连接o p c 服务器 d i mg r o u p s o b ja so p c g r o u p s o p cg r o u p s 对象，添加o p c 组 d i mw i t h e v e n t sg r o u p o b ja so p c g r o u p o p cg r o u p 对象 d i mw i t h e v e n t sg r o u p t e s ta so p c g r o u p o p cg r o u p 对象，演示用o p c 组 d i ml t e m s o b ja so p c i t e m s o p ci t e m 集合 d i ms e r v e r h a n d l e s oa sl o n g 服务器端o p ci t e m 句柄 d i mc l i e n t h a n d l e s 0a sl o n g 客户端o p ci t e m 旬柄 d i ml t e m l d ( 2 ) a ss t r i n g d i me r r o r s oa sl o n g 因为所有o p c 自动化接口的数组的索引要求必须从1 开始，为了避免错误，在 代码的最初加上“o p t i o nb a s el 语句。 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 连接o p c 服务器和建立o p c 组。 。 s u bc o n n e c t i o n ( s t r p r o g l d ，o p t i o n a ls t r n o d ea ss t r i n g ) i fs e r v e r o b ji sn o t h i n gt h e n s e ts e r v e r o b j = n e wo p c s e r v e r 建立一个o p c 服务器对象 e n d i f i fs e r v c r o b j s e r v e r s t a t e = o p c d i s c o n n e c t e dt h e n s e r v e r o b j c o n n e c ts t r p r o g l d ，s t r n o d e e n d i f i f g r o u p s o b ji sn o t h i n gt h e n s e tg r o u p s o b j = s e r v e r o b j o p c g r o u p s 建立一个o p c 组集合 e n di f i fg r o u p t e s ti sn o t h i n gt h e n s e tg r o u p t e s t - - g r o u p t e s t a d d ( t e s t g r p ) e n d i f e n d s u b ( 3 ) 添加o p c 项 s u ba d d i t e m 0 d i ms t r l t e m l d s ( 8 ) a ss t r i n g d i mc l i e n t h a n d l e s ( 8 ) a sl o n g d i me r r o r s 0a sl o n g d i mi a si n t e g e r g r o u p t e s t 1 s s u b s c r i b e d = t m e s e ti t e m s o b j = g r o u p t e s t o p c i t e m s 建立项集合 c a l li t c m s o b j a d d l t e m s ( 8 ，s t r l t e m l d s ，c l i e n t h a n d l e s ，s e r v e r h a n d l e s ，e r r o r s ) 添加o p c 项 ( 4 ) 同步读取服务器数据 o p c s e r v e r 为数据的读取提供了同步和异步操作。这两种方式的区别在于，同 步方式的数据访问在要求的动作没有完成前不能从调用的方法中返回到主程序，而 异步方式对0 p c 服务器提出数据访问要求后就立即返回到0 p c 应用程序的主处理程 序中去，因此效率比同步高。 同步读取方式： g r o u p t e s t s y n c r e a d ( o p c d e v i c e ，n b r i t e m s ，i t e m s s e r v e r h a n d l e s ，i t e m s v a l u e s ，i t e m s e r r o r s ) 异步读取方式： d i mt e m p s e r v e r h a n d l e s ( 1 ) a sl o n g o p ci t e m s 的服务器句柄，添加o p ci t e m s 服务器分配 d i mt r a n s a c t i o n g l d a sl o n g 事务标志符，由客户端产生，它包含的信息提供给o n r e a d c o m p l e t e 事件 d i mc a n c e l l d a sl o n g 取消标识符，服务器端产生，用语操作需要被取消的时候 d i me r r o r n r 0a sl o n g 包含读取每个o p ci t e m s 时返回的信息 t e m p s e r v e r h a n d l e s ( 1 ) = s e r v e r h a n d l e s ( i ) 对应第一个o p ci t e m s g r o u p o b j a s y n c r e a d l ，t e m p s e r v e r h a n d l e s ，e r r o r n r , t r a n s a c t i o n l d ，c a n c e l l d 第一个参数是要读的o p ci t e m s 的个数，只含有一个0 p ci t e m s 。读取的结果 有0 p c 服务器通过i c o n n e c t i o n p o i n t c o n t a i n e r 接口配合i o p c d a t a c a l l b a c k 接口 反调用应用程序的事物处理程序： l l 华北电力大学工程硕士学位论文 p r i v a t es u bg r o u p o b j a s y n c r e a d c o m p l e t e ( b y v a lt r a n s a c t